CN207071931U - 根据力矩调整平衡的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种根据力矩调整平衡的装置，包括机械臂、力矩平衡装置、第一角度传感器、重力传感器、控制器和调整器，所述力矩平衡装置和所述机械臂相对设于所述平衡主体上；所述机械臂上设置所述第一角度传感器和重力传感器，所述第一角度传感器和重力传感器分别采集机械臂的旋转角度和抓取物的重力，并发送给所述控制器；所述调整器设于所述平衡主体上，且连接于所述力矩平衡装置的一端，驱动所述力矩平衡装置运动；所述控制器设置于所述平衡主体上，控制所述调节器。本实用新型利用特定的方法使用时配合该装置采用特殊的重力布局结构平衡机械臂在运动过程产生的力矩差，使整个系统能具有稳定状态并具有更高的工作效率。

Description

根据力矩调整平衡的装置

技术领域

本实用新型涉及到智能机械领域，特别是涉及到一种根据力矩调整平衡的装置。

背景技术

随着无人机和智能机器人技术日渐普遍，人们逐渐的将其作为生活必备的用具，但是在使用无人机或智能机器人进行搬运物品时往往会出现整体平衡难以保持的问题出现，使得以上机器的工作效率偏低。

现今在无人机上的普遍解决方法为，将机械臂或吊钩等设置在无人机重心位置上使得在抓取重物后，无人机还能保持平衡，但是在飞行途中难免会出现强气流或飞禽的干扰，此时无人机将不可能用该方法保持机身的平衡。

而在智能机器人方面，则普遍以增加智能机器人底座与地面的接触面积及重量，以降低智能机器人重心位置，从而保持智能机器人在运送物品时整体的平衡，但是增加底座面积和重量严重妨碍了智能机器人的设计发展，而且使用时非常不便利，在遇到不规则地形时严重影响了智能机器人的灵活性，甚至在一些复杂地形上根本不能使用，严重降低了智能机器人的使用范围和工作效率。

综合上述，以上解决无人机和智能机器人平衡问题的解决方法均存在降低工作效率或只能解决部分情景下失衡状况的问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的为提供一种力矩平衡方法及装置已解决上述工作效率低的问题。

本实用新型提出一种根据力矩调整平衡的装置，设置于平衡主体上，包括机械臂、力矩平衡装置、第一角度传感器、重力传感器、控制器和调整器，

上述力矩平衡装置和上述机械臂相对设于上述平衡主体上；

上述机械臂上设置上述第一角度传感器和重力传感器，上述第一角度传感器和重力传感器分别采集机械臂的旋转角度和抓取物的重力，并发送给上述控制器；

上述调整器设于上述平衡主体上，且连接于上述力矩平衡装置的一端，驱动上述力矩平衡装置运动；

上述控制器设置于上述平衡主体上，控制上述调整器。

进一步地，上述根据力矩调整平衡的装置，上述机械臂还包括第二角度传感器、第一驱动装置、第二驱动装置、前臂和后臂，

上述前臂通过上述第二驱动装置与上述后臂连接；

上述后臂通过上述第一驱动装置与上述平衡主体连接；

上述第一角度传感器和上述重力传感器分别设于上述第一驱动装置上，上述第二角度传感器设于上述第二驱动装置上；

上述第二角度传感器、第一驱动装置和第二驱动装置均与上述控制器电连接。

进一步地，上述根据力矩调整平衡的装置，上述力矩平衡装置还包括臂杆和标准重物，上述臂杆的一端与标准重物连接，上述臂杆的另一端与上述调整器连接。

进一步地，上述根据力矩调整平衡的装置，上述调整器还包括驱动装置和第三角度传感器，

上述第三驱动装置设于上述平衡主体上，且连接于上述力矩平衡装置的一端，驱动上述力矩平衡装置运动；

上述第三角度传感器设于上述第三驱动装置上。

进一步地，上述根据力矩调整平衡的装置，上述控制器还包括，陀螺仪、第四角度传感器、比较器和控制单元，

上述控制单元与上述陀螺仪、第四角度传感器和比较器电连接，接收上述陀螺仪、第四角度传感器和比较器的电信号；

上述控制单元与上述机械臂和力矩平衡装置电连接，驱动上述机械臂和力矩平衡装置运动。

本实用新型利用特定的方法让具有机械臂或机械手等机构的机器人、无人机或其它装置在该机械臂活动时的保持平衡，使用时配合该装置采用特殊的重力布局结构平衡机械臂在运动过程产生的力矩差，使整个系统能具有稳定状态并具有更高的工作效率。

附图说明

图1为本实用新型具体一实施例的根据力矩调整平衡的装置的结构图；

图2为本实用新型一实施例的根据力矩调整平衡的方法的流程图；

图3为本实用新型一实施例的根据力矩调整平衡的方法的流程图；

图4为本实用新型一实施例的根据力矩调整平衡的方法的流程图。

2、机械臂；3、力矩平衡装置；6、控制器；7、调整器；9、第一驱动装置；10、第二驱动装置；11、前臂；12、后臂；13、臂杆； 14、标准重物。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提出一种根据力矩调整平衡的装置，设置于平衡主体上，包括机械臂2、力矩平衡装置3、第一角度传感器、重力传感器、控制器6和调整器7，上述力矩平衡装置3与上述机械臂2相对设于上述平衡主体上；上述机械臂2上设置上述第一角度传感器和重力传感器，上述第一角度传感器和重力传感器分别采集机械臂2的旋转角度和抓取物的重力，并发送给上述控制器6；上述调整器7设于上述平衡主体上，且连接于上述力矩平衡装置3的一端，驱动上述力矩平衡装置3运动；上述控制器6设置于上述平衡主体上，控制上述调整器。

上述平衡主体一般为无人机或智能机器人；

上述力矩平衡装置3一般为臂杆13与标准重物14构成的组合结构，上述臂杆13一般为中空的请材质金属杆或实心的有机材料杆，优选的，上述臂杆13的材质为铝合金；

上述第一角度传感器一般设于上述机械臂2和上述平衡主体的连接处，用于检测上述机械臂2与垂直于水平面的轴线夹角；

上述重力传感器一般设于上述机械臂2和上述平衡主体的连接处，用于检测施加在上述机械臂2的额外重力，上述额外重力不包括上述机械臂2自身重力；

上述调整器7一般设于上述平衡主体上，用于计算上述机械臂2 抓取物体后产生的新力矩值，以及控制上述调整器7对上述力矩平衡装置3进行角度调整。

在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置，上述机械臂2还包括第二角度传感器、第一驱动装置9、第二驱动装置10、前臂11 和后臂12，上述前臂11通过上述第二驱动装置10与上述后臂12连接；上述后臂12通过上述第一驱动装置9与上述平衡主体连接；上述第一角度传感器和上述重力传感器分别设于上述第一驱动装置9 上，上述第二角度传感器设于上述第二驱动装置10上；上述第二角度传感器、第一驱动装置9和第二驱动装置10均与上述控制器6电连接。

上述前臂11以及后臂12一般为中空的请材质金属杆或实心的有机材料杆，优选的，上述前臂11以及后臂12的材质为铝合金，上述前臂11的另一端一般设有机械手、机械爪或吊钩，其中，优选的上述前臂11另一端设有机械爪；

上述第一驱动装置9一般设于上述平衡主体和上述后臂12连接处，上述第一驱动装置9一般包括横向驱动电机和纵向驱动电机或多根驱动伸缩杆，其中，优选的上述第一驱动装置9包括一台横向驱动电机和一台纵向驱动电机；

上述第二驱动装置10一般设于上述前臂11和上述后臂12连接处，上述第二驱动装置10一般包括驱动电机或多根驱动伸缩杆，其中，优选的上述第二驱动装置10包括驱动电机；

上述第二角度传感器一般设于上述前臂11和上述后臂12连接处，用于监测上述前臂11和上述后臂12间的夹角角度。

在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置，上述力矩平衡装置3还包括臂杆13和标准重物14，上述臂杆13的一端与标准重物 14连接，上述臂杆13的另一端与上述调整器7连接。

上述调整器7一般包括包括横向驱动电机和纵向驱动电机或多根驱动伸缩杆以及角度传感器，优选的上述调整器7包括一台横向驱动电机和一台纵向驱动电机以及角度传感器。

在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置，上述调整器7还包括第三驱动装置和第三角度传感器，

上述第三驱动装置设于上述平衡主体上，且连接于上述力矩平衡装置3的一端，驱动上述力矩平衡装置3运动

上述第三角度传感器设于上述第三驱动装置上。

上述第三驱动装置一般设于上述平衡主体和上述力矩平衡装置3 的连接处，上述第三驱动装置一般包括横向驱动电机和纵向驱动电机或多根驱动伸缩杆，其中，优选的上述第三驱动装置包括一台横向驱动电机和一台纵向驱动电机；

上述第三角度传感器一般设于上述平衡主体和上述力矩平衡装置3的连接处，用于检测上述力矩平衡装置3与垂直于水平面的轴线夹角。

在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置，上述控制器6还包括，陀螺仪、第四角度传感器、比较器和控制单元，上述控制单元与上述陀螺仪、第四角度传感器和比较器电连接，接收上述陀螺仪、第四角度传感器和比较器的电信号；上述控制单元与上述机械臂2和力矩平衡装置3电连接，驱动上述机械臂2和力矩平衡装置3运动。

上述陀螺仪一般设于上述控制器6内，用于检测上述平衡主体的平衡情况以及倾斜方向；

上述第四角度传感器一般设于上述控制器6内，用于检测上述平衡主体在失衡状态时，上述平衡主体的重心所在水平面倾斜后与位置的夹角角度；

上述比较器一般设于上述控制器6内，用于将上述第四角度传感器所测的夹角角度与预设值比较，并根据比较结果发送对应信号值上述控制单元；

上述控制单元一般设于上述控制器6内，用于计算上述机械臂2 在被施加外力后的力矩值以及上述力矩平衡装置3的调整角度，并将调整信号发送至上述力矩平衡装置3。

参照图1，在一具体实施例中，上述第一驱动装置9、第二驱动装置10和第三驱动装置均只包括一个驱动电机，上述前臂11、后臂 12、第一驱动装置9、第二驱动装置10和机械爪构成上述机械臂2，上述前臂11通过上述第二驱动装置10与上述后臂12连接，上述后臂12通过上述第一驱动装置9与上述平衡主体连接，上述前臂11的另一端设有机械爪，上述第一角度传感器和上述重力传感器分别设于上述第一驱动装置9上，上述第二角度传感器设于上述第二驱动装置 10上，上述第一角度传感器、第二角度传感器、重力传感器、第一驱动装置9和第二驱动装置10均与上述控制器6电连接；上述力矩平衡装置3通过上述第三驱动装置与上述平衡主体连接，上述第三角度传感器设于上述第三驱动装置上，且，上述第三驱动装置和第三角度传感器均与上述控制器6连接。

参照图2，本实用新型提供一种根据力矩调整平衡的装置的使用方法，包括平衡主体、机械臂2和力矩平衡装置3，包括步骤：S10、检测上述机械臂2抓取物的重力，并换算出上述机械臂2的实时力矩； S20、根据上述实时力矩，计算上述力矩平衡装置3的调整角度；S30、根据上述调整角度，控制上述力矩平衡装置3进行运动。

如上述步骤S10，检测上述机械臂2抓取物的重力，根据机械臂 2的旋转角度，用余弦定理换算出力臂长度，并最终得出机械臂2和抓取物的组成系统的实时力矩，其中，当机械臂2有单个或双个活动关节时，优选的上述力矩计算公式为：

T_A＝M_A×L_A×cosθ_A

以上公式中T_A为上述机械臂2产生的力矩，L_A为上述机械臂2 与上述平衡主体连接点到抓取物的直线距离，θ_A为L_A与水平面的夹角，L_n为上述机械臂2后臂12的长度，L_n-1为上述机械臂2前臂11 的长度，θ_n为上述前臂11和后臂12的夹角，θ_z为上述后臂12与轴线的夹角，

或者，当机械臂2有三个活动关节时，优选的上述力矩计算公式为：

T_A＝M_A×L_A×cosθ_A

上公式中T_A为上述机械臂2产生的力矩，L_A为上述机械臂2与上述平衡主体连接点到抓取物的直线距离，L_B为上述机械臂2第三活动关节到抓取物的直线距离，θ_B为L_B与上述机械臂2第一臂的夹角，θ_A为L_A与水平面的夹角，L_n为上述机械臂2第一臂的长度，L_n-1为上述机械臂2第二臂的长度，L_n-2为上述机械臂2第三臂的长度，θ_n为上述第一臂和第二臂的夹角角度，θ_n-1为上述第二臂和第三臂的夹角角度，θ_z为上述第一臂与轴线的夹角角度。

如上述步骤S20，根据上述步骤S1所计算出的实时力矩，计算上述力矩平衡装置3的调整角度，上述调整角度与上述机械臂2的远动平面相同。

如上述步骤S30，根据上述步骤S2计算出的调整角度，控制上述力矩平衡装置3进行运动，上述力矩平衡装置3与上述机械臂2处于同一运动平面，且，运动方向相反。

在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置的使用方法，上述调整角度的计算公式包括：

以上公式中θ_E为上述力矩平衡装置3需要转动的角度，T_A为上述机械臂2产生的力矩，L为转动轴圆心到上述力矩平衡装置3重心的距离长度，M为上述力矩平衡装置3的重力。

在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置的使用方法，上述调整角度的计算公式包括：

Δθ_E＝P×Error(t)+I×∑_TError(t)+D×(Error(t)-Error(t-1))

θ_E(t)＝θ_E(t-1)+Δθ_E

Error(t)＝θ_R(t)-θ_R(0)

以上公式Δθ_E为上述力矩平衡装置3的角度变化量，θ_E(t)为上述力矩平衡装置3当前t时刻角度，θ_R(t)为当前t时刻上述机械臂2与水平面夹角，θ_R(0)为上述机械臂2目标姿态，P为比例系数，I为积分系数，D为微分系数，Error(t)为在当前t时刻的实时误差值，∑_TError(t)为误差值在时间T内的积分。

参照图3，在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置的使用方法，在根据上述调整角度，控制上述力矩平衡装置3进行运动步骤后，还包括，S40、检测平衡状态，并根据平衡状态情况控制上述力矩平衡装置3运动。

如上述步骤S40，检测平衡状态，检测上述平衡主体与水平面的倾斜夹角，当倾斜夹角的绝对值大于预设值时，其中，上述预设值一般为0.5-5度，优选的预设值为2度，驱动上述力矩平衡装置3进行相应的运动，从而进行上述平衡主体的平衡调整，其中，上述步骤S10-S30不作为该步骤S40的执行触发条件，该步骤S40在上述平衡主体启动后持续执行，至上述平衡主体停止运动时上述步骤S40停止执行。

参照图4，在本实施例中，上述根据力矩调整平衡的装置的使用方法，在上述检测平衡状态步骤中，还包括子步骤，S41、检测上述平衡主体水平倾斜角度；S42、将上述倾斜角度的绝对值与误差值进行比较；S43、当上述倾斜角度的绝对值小于误差值时，重复进行上述检测上述平衡主体水平倾斜角度及其后续步骤；当上述倾斜角度的绝对值不小于误差值时，重复进行上述检测上述机械臂2抓取物的重力，并换算出上述机械臂2的实时力矩及其后续步骤。

如上述步骤S41，检测上述平衡主体水平倾斜角度，其中，将上述平衡主体的重心所属水平面设立坐标轴，优选的以上述平衡主体的重心为坐标轴零点，以上述平衡主体前进方向为Y轴正方向，以上述平衡主体前进方向的右方为X轴正方向，用以确定上述平衡主体的倾斜方向并进行对应的平衡调整。

如上述步骤S42，将上述倾斜角度的绝对值与误差值进行比较，将上述步骤S41所检测得到的倾斜角度绝对值化，并与预设值进行比较，其中，上述预设值一般为0.5-5度，优选的预设值为2度。

如上述步骤S43，将上述步骤S42中进行的比较步骤进行判定，当上述倾斜角度的绝对值小于误差值时，重复进行上述步骤S40检测平衡状态，并根据平衡状态情况控制上述力矩平衡装置3运动及其后续步骤，继续对上述平衡主体进行平衡检测；当上述倾斜角度的绝对值不小于误差值时，重复进行上述步骤S10检测上述机械臂2抓取物的重力，并换算出上述机械臂2的实时力矩及其后续步骤，对上述力矩平衡装置3进行新一轮的旋转角度调整。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种根据力矩调整平衡的装置，设置于平衡主体上，其特征在于，包括机械臂、力矩平衡装置、第一角度传感器、重量传感器、控制器和调整器，

所述力矩平衡装置和所述机械臂相对设于所述平衡主体上；

所述机械臂上设置所述第一角度传感器和重量传感器，所述第一角度传感器和重量传感器分别采集机械臂的旋转角度和抓取物的重量，并发送给所述控制器；

所述调整器设于所述平衡主体上，且连接于所述力矩平衡装置的一端，驱动所述力矩平衡装置运动；

所述控制器设置于所述平衡主体上，控制所述调整器。

2.根据权利要求1所述的根据力矩调整平衡的装置，其特征在于，所述机械臂还包括第二角度传感器、第一驱动装置、第二驱动装置、前臂和后臂，

所述前臂通过所述第二驱动装置与所述后臂连接；

所述后臂通过所述第一驱动装置与所述平衡主体连接；

所述第一角度传感器和所述重量传感器分别设于所述第一驱动装置上，所述第二角度传感器设于所述第二驱动装置上；

所述第二角度传感器、第一驱动装置和第二驱动装置均与所述控制器电连接。

3.根据权利要求1所述的根据力矩调整平衡的装置，其特征在于，所述力矩平衡装置还包括臂杆和标准重物，所述臂杆的一端与标准重物连接，所述臂杆的另一端与所述调整器连接。

4.根据权利要求3所述的根据力矩调整平衡的装置，其特征在于，所述调整器还包括第三驱动装置和第三角度传感器，

所述第三驱动装置设于所述平衡主体上，且连接于所述力矩平衡装置的一端，驱动所述力矩平衡装置运动；

所述第三角度传感器设于所述第三驱动装置上。

5.根据权利要求1-4任一项所述的根据力矩调整平衡的装置，其特征在于，所述控制器还包括陀螺仪、第四角度传感器、比较器和控制单元，

所述控制单元与所述陀螺仪、第四角度传感器和比较器电连接，接收所述陀螺仪、第四角度传感器和比较器的电信号；

所述控制单元与所述机械臂和力矩平衡装置电连接，驱动所述机械臂和力矩平衡装置运动。